Femtosecond x-ray scattering in condensed matter [Elektronische Ressource] / von Clemens von Korff Schmising

Von Korff Schmising Clemens

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 26
• Langue: English
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Extrait

Femtosecond X-Ray Scattering in Condensed
Matter
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Clemens von Korff Schmising
geboren am 20.07.1977 in Bonn
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. Thomas Elsässer
2. Prof. Dr. Oliver Benson
3. Prof. Dr. Martin Wolf
eingereicht am: 7. Juli 2008
Tag der mündlichen Prüfung: 24. November 2008Abstract
This thesis investigates the manifold couplings between electronic and
structural properties in crystalline Perovskite oxides and a polar molecular
crystal. Ultrashort optical excitation changes the electronic structure and
the dynamics of the connected reversible lattice rearrangement is imaged in
real time by femtosecond X-ray scattering experiments.
An epitaxially grown superlattice consisting of alternating nanolayers of
metallic and ferromagnetic strontium ruthenate (SRO) and dielectric stron-
tium titanate serves as a model system to study optically generated stress.
In the ferromagnetic phase, phonon-mediated and magnetostrictive stress in
SRO display similar sub-picosecond dynamics, similar strengths but opposite
sign and different excitation spectra. The amplitude of the magnetic compo-
nent follows the temperature dependent magnetization square, whereas the
strength of phononic stress is determined by the amount of deposited energy
only.
The ultrafast, phonon-mediated stress in SRO compresses ferroelectric
nanolayers of lead zirconate titanate in a further superlattice system. This
change of tetragonal distortion of the ferroelectric layer reaches up to 2 per-
cent within 1.5 picoseconds and couples to the ferroelectric soft mode, or ion
displacement within the unit cell. As a result, the macroscopic polarization
is reduced by up to 100 percent with a 500 femtosecond delay that is due to
final elongation time of the two anharmonically coupled modes.
Femtosecond photoexcitation of organic chromophores in a molecular,
polar crystal induces strong changes of the electronic dipole moment via in-
tramolecular charge transfer. Ultrafast changes of transmitted X-ray inten-
sity evidence an angular rotation of molecules around excited dipoles follow-
ingthe10picosecondkineticsofthechargetransferreaction. TransientX-ray
scattering is governed by solvation, masking changes of the chromophore’s
molecular structure.
Keywords:
X-ray Diffraction, Femtosecond, Ferroelectricity, FerromagnetismivZusammenfassung
Diese Arbeit untersucht die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen elek-
tronischen und strukturellen Eigenschaften in Perovskit-Oxiden und in einem
molekularen Kristall. Optische Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen ver-
ändert die elektronische Struktur und die Dynamik der damit verbundenen
reversiblen Gitterveränderung wird mit zeitaufgelöster Femtosekunden Rönt-
genbeugung direkt aufgezeichnet.
Eine Nanostruktur aus metallischen und ferromagnetischen Strontium
Ruthenat (SRO) und dielektrischen Strontium Titanat Schichten dient als
Modellsystem, um optisch induzierten Druck auf einer subpikosekunden Zeit-
skala zu untersuchen. In der ferromagnetischen Phase zeigen phononischer
und magnetostriktiver Druck eine vergleichbare ultraschnelle Dynamik und
eine ähnliche Größe unterschiedlichen Vorzeichens. Die Amplitude des ma-
gnetischen Drucks folgt dem Quadrat der temperaturabhängigen Magneti-
sierung.
In einem weiteren Doppelschichtsystem komprimiert der sich ultraschnell
aufbauende phononische Druck in SRO benachbarte ferroelektrische Blei Zir-
konat Titanat Schichten. Dies reduziert die tetragonale Verzerrung von bis
zu 2 Prozent innerhalb 1.5 Pikosekunden und koppelt an die ferroelektrische
„weiche Mode“, beziehungsweise an die Ionenverschiebung innerhalb der Ein-
heitszelle. Damit verbunden wird die makroskopische Polarisation bis zu 100
Prozent reduziert; aufgrund der Anharmonizität der Kopplung mit einer Ver-
zögerung von 500 Femtosekunden.
Femtosekunden Photoanregung von Chromophoren in einem molekularen
Kristall induziert eine Änderung des Diopolmomentes durch intramolekula-
ren Ladungstransfer. Die der gestreuten Röntgenintensität weist
auf eine Molekül-Rotationsbewegung in der Umgebung angeregte Dipole hin,
welche der 10 Pikosekunden Dynamik des Ladungstransfer folgt. Die transi-
entenRöntgenstreusignalewerdenvollständigvonderkollektivenSolvatation
bestimmt und verdecken lokale, intramolekulare Strukturänderungen.
Schlagwörter:
Röntgenbeugung, Femtosekunden, Ferroelektriztät, FerromagnetismusviContents
1 Introduction 1
2 X-Ray Scattering in Condensed Matter 5
2.1 Classical Scattering from Free Non-Relativistic Electrons . . . 6
2.2 Scattering from an Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Kinematic X-ray Diffraction Theory . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Diffuse Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 X-Ray Reflectivity of a Superlattice . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 Reciprocal Space Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7 Dynamical X-ray Diffraction Theory . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.1 Scattering from a Single Layer of Atoms . . . . . . . . 18
2.7.2 Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7.3 Darwin Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7.4 Extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Perovskite Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8.1 Elementary Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8.2 Static Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Transient Crystal Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.9.1 Lattice Dynamics in Superlattice Structures . . . . . . 27
2.9.2 Time Resolved X-Ray Diffraction of Transient Structures 30
3 Experiment 35
3.1 Ti-Sapphire Laser System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.1 Pump Probe Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 X-Ray Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 Physical Origin of Characteristic X-Ray Pulses . . . . . 42
3.2.2 Characterization of the X-Ray Source . . . . . . . . . . 44
3.3 Time-Resolved X-Ray Diffraction Setup . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 X-Ray Pulse Duration and Accurate Time Delay Zero
Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 Detecting X-Ray Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vii3.3.3 Source Stability and Normalization Schemes . . . . . . 54
3.3.4 X-Ray Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.5 X-Ray Cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Strain Propagation in Nanolayered Perovskites 61
4.1 Characterization of PZT/SRO
Heterostructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Time Resolved X-Ray Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Strain Propagation and X-Ray Interference . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 Strain Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.2 X-Ray Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Ultrafast Stress Generation in SrRuO 753
5.1 Stress Generation in Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Characterization of the STO/SRO Superlattice Sample . . . . 78
5.2.1 Equilibrium Structure at Room Temperature . . . . . . 78
5.2.2 Reflectivity-Strain Mapping . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3 Ultrafast Phonon Mediated Stress in
SrRuO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843
5.3.1 Time Resolved X-Ray Data . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 Ultrafast Magnetostriction in the Ferromagnet SrRuO . . . . 963
5.4.1 Ultrafast Laser-Induced Demagnetization . . . . . . . . 96
5.4.2 MagneticPropertiesofSrRuO andtheirInterplaywith3
Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4.3 Time Resolved X-ray Data . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.4 Timeed Optical Data . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6 Coupled Ultrafast Lattice and Polarization Dynamics in Fer-
roelectric Nanolayers 115
6.1 Ferroelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.1.1 Soft Mode or Cochran Theory of Ferroelectricity . . . . 117
6.1.2 Landau-Devonshire Theory . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.3 Coupling between Tetragonal Strain and Polarization . 124
6.1.4 Ferroelectricity in Thin Layers and Heterostructures . . 126
6.2 Characterization of the PZT/SRO Superlattice Sample . . . . 130
6.3 Time Resolved X-Ray Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4 Discussion: Ultrafast Time-Resolved X-Ray Structure Analysis 135
viii7 Ultrafast Changes of Molecular Crystal Structure Induced
by Dipole Solvation 143
7.1 Dipole Solv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.2 DIABN . . . . . . . . . .